Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 41 )

К достоинствам этих устройств следует отнести возможность получать достаточно стабильную скорость сканирования, простоту реализации строчной развертки за счет скашивания граней призм и различных спиральных и розеточных траекторий при использовании пары клиньев (см. рис. 4.9, в), вращающихся с различной скоростью, простота механизма привода.

Их основные недостатки – большие потери потока за счет поглощения в материале элементов; значительные аберрации и расфокусировки, ограничивающие поля обзора сравнительно малыми углами; невысокие скорости сканирования вследствие инерционности привода и возможности разрушения элементов; малые hc; образование дополнительных оптических помех за счет бликов на гранях.

В сканирующих системах с волоконно-оптическими элементами выходные части волокон или жгутов используют для перестройки поля или плоскости изображений таким образом, чтобы с помощью достаточно простого по конструкции коммутатора было удобно опрашивать отдельные элементарные участки поля обзора. Таким коммутатором может быть оптическая деталь, передающая потоки, выходящие из торцов волокон, на анализатор или приемник излучения. Коммутация при этом может осуществляться путем вращения или поворота этой детали (зеркала, пластины, клина и т. п.) подобно тому, как работают аналогичные компенсаторы. Перестройка структуры поля изображений с помощью волокон (например, из прямоугольной многострочной в однострочную линейную) позволяет применить более простой приемник, например линейку ПЗС вместо матрицы, или увеличить скорость сканирования. Такая перестройка позволяет в ряде случаев заметно уменьшить размеры и массу всей сканирующей системы и особенно подвижных оптических компонентов.

Иногда для сканирования применяют гибкие жгуты, торцы которых по определенной программе просматривают поле изображений, создаваемых объективом приемной оптической системы ОЭП.

Конструктивная простота, возможность трансформировать и кодировать изображение являются достоинствами волоконно-оптических систем. К их недостаткам можно отнести сравнительно большие потери сигнала в волокнах и жгутах.

7.4.Фотоэлектронные сканирующие системы

Фотоэлектронные сканирующие системы осуществляют сканирование в пространстве изображений. Объектив приемной оптической системы строит изображение всего поля обзора в плоскости чувствительного слоя приемника излучения фотоэлектронной сканирующей системы. Образовавшийся зарядовый рельеф считывается чаще всего с помощью электронного луча (фотоэлектронные вакуумные сканирующие системы, передающие телевизионные трубки) или путем переноса носителей тока, как это имеет место в полупроводниковых анализаторах.

Системы такого типа подразделяют на две группы: с накоплением и мгновенного действия (без накопления). Они часто, как уже указывалось, выполняют и функции анализаторов изображений. Эти системы можно разделить также на электровакуумные и полупроводниковые.

Одними из наиболее распространенных фотоэлектронных вакуумных устройств, применяемых для сканирования плоскости изображений с накоплением заряда, являются видиконы и диссекторы – передающие телевизионные трубки, схемы работы которых рассматривались в §5.9.

В последние годы все шире в качестве сканирующих устройств стали использовать твердотельные аналоги передающих телевизионных трубок и прежде всего ПЗС-структуры. Принцип их действия был рассмотрен выше в §5.9 . Это – системы с накоплением зарядов со всеми присущими им достоинствами и недостатками. Жесткий растр, малые размеры, масса и потребляемая мощность, большая степень интеграции, большие надежность, стабильность работы и срок службы – вот их основные достоинства по сравнению с фотоэлектронными вакуумными сканирующими устройствами. О других их достоинствах, как и о недостатках (дороговизна, неоднородность чувствительности, ограниченный спектральный диапазон), речь шла выше.

Контрольные вопросы

1. Почему сканирование может повысить помехозащищенность ОЭП?

2. Сравните преимущества и недостатки схем последовательного и параллельного сканирования.

3. Какие требования и почему предъявляют к многоэлементным приемникам, используемым в сканирующих системах ОЭП?

4. Какими средствами можно увеличить скорость сканирования при спиральной и строчной траекториях и что препятствует этому?

5. Какие специфические требования предъявляются к оптической системе сканирующего ОЭП (для различных методов сканирования)?

6. Дайте сравнительную характеристику оптико-механическим и фотоэлектронным сканирующим системам.

Глава 8. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

8.1. Назначение, классификация и особенности модуляции потока излучения

Прием полезного сигнала и измерение его параметров во многих ОЭП нельзя или трудно вести, если не принять специальные меры, обеспечивающие отделение (фильтрацию) сигнала от помех, усиление его до необходимого уровня, предварительное выделение достаточно характерных признаков сигнала и т. д. К числу таких мер относятся модуляция и демодуляция.

Модуляцией принято называть изменение одного или нескольких параметров сигнала – носителя информации. Модуляция оптического сигнала – потока излучения – служит обычно для решения двух основных задач: 1) для изменения параметров сигнала в соответствии с какими-либо свойствами или параметрами наблюдаемого объекта, например дальностью до излучателя или его угловым положением; 2) для выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех.

При активном методе работы ОЭП с помощью модуляции обычно решают обе эти задачи; при пассивном методе модуляция используется прежде всего для решения второй задачи, а в сочетании с анализом изображения, например при сканировании углового поля прибора, и для создания сигнала, связанного с каким-либо параметром наблюдаемого объекта.

В гл. 6 при рассмотрении анализаторов различного типа были приведены примеры изменений (модуляции) амплитуды, фазы, частоты сигнала, соответствующих изменениям параметров источника сигнала, например его координат.

Для решения второй задачи с помощью модуляции спектр сигнала «переносится» в ту область частот, где меньше влияние помех, как внутренних, так и внешних, и где происходит его отделение от помех. Например, модуляция, сдвигая полосу пропускания электронного тракта ОЭП в область высоких частот, способствует повышению его помехозащищенности по отношению к шумам приемника и усилителя.

После фильтрации сигнала необходимо выделить полезную (низкочастотную) информацию. Нелинейная операция, заключающаяся в «возвращении» спектра сигнала в низкочастотную область, т. е. в восстановлении модулирующего сигнала, называется демодуляцией (детектированием).

Часто в ОЭП применяется модуляция с несущей (двукратная модуляция). В этом случае сигнал, содержащий полезную (низкочастотную) информацию о наблюдаемом объекте, модулирует более высокочастотное (несущее) колебание. Вследствие инерционности большинство приемников излучения, используемых в настоящее время, не реагирует на изменения амплитуды электромагнитного колебания, происходящие с оптической частотой (1014 ...1016 Гц). Поэтому в ОЭП часто приходится создавать несущее колебание с гораздо меньшими частотами, например, путем прерывания потока. При этом в отличие от радиотехники, где модуляцией обычно называется воздействие на несущее колебание, в оптико-электронном приборостроении создание сигнала несущей частоты также рассматривается как модуляция.

Наибольшее распространение в ОЭП получили усилители переменного тока, обладающие по сравнению с усилителями постоянного тока более высокой стабильностью работы и рядом других преимуществ. Однако при их использовании требуется, чтобы сигнал, поступающий на вход усилителя, был переменным, что также достигается с помощью модуляции потока.

Общей теории модуляции посвящены специальные разделы электротехнических и радиотехнических курсов. Ниже, после изложения простейших общих положений этой теории, будут рассмотрены особенности модуляции, применяемой в ОЭП.

Очень распространена в ОЭП амплитудная модуляция – процесс управления амплитудой потока излучения. Часто этот процесс сводится к созданию последовательности импульсов потока, форма которых зависит от геометрических соотношений между площадью сечения пучка и параметрами модулятора. Отношение периода следования импульсов к их длительности называется скважностью N.

Для большинства сигналов можно провести спектральное разложение модулированного потока в ряд Фурье. Многие часто используемые на практике последовательности импульсов описываются хорошо известными и приведенными в справочниках разложениями. Так, последовательность прямоугольных импульсов частоты w с коэффициентом заполнения g (величина, обратная скважности, т. е. g=1/N) и амплитудой F0 разлагается в ряд:

Такая последовательность практически имеет место при периодическом открывании и перекрытии (обтюрации) потока, когда размер сечения пучка в плоскости модулятора гораздо меньше его прозрачной части.

При g=0,5 и n=1 два первых члена разложения сигнала в ряд Фурье имеют вид

Рассмотрим в общем виде случай (рис. 8.1), когда сигнал – переносчик полезной информации, являющийся функцией времени s(t), которой соответствует спектр S(jw), модулирует периодическую последовательность импульсов потока, описываемую как

Здесь Fn – комплексная амплитуда n-й гармоники потока; wн – частота первой гармоники (несущей) F(t), определяемая частотой прерывания потока модулятором несущей частоты.

Рис. 8.1. Двукратная амплитудная модуляция:

а – сигнал несущей частоты; б – двукратно-модулированный сигнал

Двукратная амплитудная модуляция в данном случае осуществляется перемножением s(t) и F(t).